Згідно з теоремою, виведеною Стівеном Гокінгом із Загальної теорії відносності у 1971-му році, площа поверхні чорної діри не може зменшуватися з плином часу. Це твердження є цікавим для фізиків через його тісний зв’язок з другим законом термодинаміки, за яким ентропія ізольованої системи також повинна з часом або залишатися незмінною, або зростати до досягнення термодинамічної рівноваги. Отже, оскільки ентропія чорної діри прямо пропорційна площі її поверхні, обидві повинні зростати.
У новому дослідженні за авторством Максиміліано Ісі, Вілла М. Фарра та інших це підтверджується за допомогою гравітаційних хвиль, викликаних зіткненням двох чорних дір. Цікаво, що доведена теорема суперечить іншому твердженню славетного фізика: чорні діри повинні дуже повільно випаровуватися під дією явища, що називається випромінюванням Гокінга. Виявлення причини цієї суперечності може повести за собою справжній науковий прорив.
“Площа поверхні чорної діри не може зменшуватися – це нагадує другий закон термодинаміки. Також їм властиве збереження маси – тут можна провести паралель із законом збереження енергії, – каже Максиміліано, автор статті та астрофізик з Массачусетського технологічного інституту. – Спочатку всі думали, що це просто цікавий збіг, але незабаром стало зрозуміло, що йдеться про щось фундаментальне. Чорні діри мають ентропію, і вона пропорційна до їхньої площі. Це – важливий факт про будову нашого Всесвіту”.
Як відомо, якщо якийсь об’єкт потрапляє за горизонт подій чорної діри, назад він повернутися не може: він неминуче буде нею поглинений і збільшить її масу, слідом за чим, згідно з Гокінгом, збільшиться її площа. З іншого боку, площа поверхні чорної діри тим менша, чим швидше вона обертається, а об’єкт, що падає у неї, як раз може її трохи “розкрутити”. Вважається, що збільшення площі через збільшення маси завжди переважує її зменшення через збільшення швидкості обертання, і команда Максиміліано вирішила це перевірити.
Для цього дослідники проаналізували перші гравітаційні хвилі, що були виявлені людством – результат злиття двох велетенських чорних дір, що відбулося 1,3 мільярда років тому. Помітив їх інструмент Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ще у 2015-му році.
Сигнал було розділено на дві частини: до і після злиття. Команда розрахувала масу двох дір, що зіткнулися, а також тієї, що утворилася в результаті. Отримані знання дозволили виявити площу поверхні кожної з них.
“Вони оберталися навколо одна одної все швидше і швидше, через що амплітуда гравітаційних хвиль безперервно збільшувалася. Коли вони нарешті зіткнулися, відбувся великий сплеск хвиль – пояснює автор. – Утворилася нова чорна діра, що знаходилася у збудженому стані. Про неї ми змогли багато дізнатися, аналізуючи те, як вона вібрує. Це схоже на те, ніби ви дзвоните у дзвоник: за висотою та довжиною звуку можна дізнатися його форму, конструкцію і матеріал, з якого його виготовлено”.
Площа нової чорної діри виявилася більшою, ніж сума площ двох початкових об’єктів разом. Цей результат довів теорему Гокінга з ймовірністю більш ніж 95%: “Ми вперше змогли надати цьому числову оцінку” – каже Ісі.
Однак згадана вище таємниця все ще залишається нерозкритою: якщо, як стверджує теорема, площа чорних дір не може зменшуватися, то як вони можуть випаровуватися під дією випромінювання Гокінга – гіпотетичного явища, що полягає у випромінюванні елементарних часток із чорної діри коло горизонту подій? Тут квантова механіка стикається з Загальною теорією відносності, і вчені вже давно працюють над тим, щоб примирити ці два напрями фізики.
“На великих проміжках часу закон порушується, – пояснює суперечність Ісі. – Це схоже на кипіння води. Якщо дивитися виключно на те, як всередині каструлі зникає вода, можна зробити висновок, що її ентропія зменшується. Але якщо враховувати пару, що виходить з каструлі, то видно, що загальна ентропія все ж таки збільшується. Те ж саме відбувається з чорними дірами та випромінюванням Гокінга”.
Тепер, коли закон про площу доведено для малих та середніх проміжків часу, мета дослідників – аналізувати більше даних про гравітаційні хвилі, адже чорні діри є невичерпним джерелом інформації про взаємодію різних напрямків у фізиці: “Чорні діри – місця, де гравітація зустрічає квантову механіку. Через це вони – ідеальні майданчики для перевірки нашого розуміння реальності”.
Оригінальну статтю було опубліковано у Physical Review Letters, повний текст доступний за посиланням.
Джерело – Live Science.